多功能智能小车的设计与应用分析

马志德 杜世龙 周永帅 郭继成

（湖北大学知行学院，湖北 武汉430014）

近些年来机器人的智能水平不断提高，随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透，而智能小车这种轮式移动机器人集合了传感器技术和自动控制技术则可作为智能领域的代表。智能小车是一个集环境感知、动态决策、智能 控制与执行等多功能于一体的移动式机器人,由传感器、控制器和执行器3 部分组成,可应用于自动控制、计算机技术、模式识别、工业生产等多个领域[1-3]。多样化的功能，简洁化的设计，便捷的操作和更高价值的应用就成了智能小车发展的必然趋势。

1 模块化设计

多功能智能小车的模块化电路连接简洁，易拆卸，同时又符合功能的多样性。

图1

如图1 为整车模块分布简图，该模块化设计有别于硬件设计和程序设计，不同模块对应不同功能。模块之间一般由杜邦线连接，如图2：

图2

路段识别主要依靠摄像头模块，同时路段需要路和路边的色差鲜明。摄像头模块中由碳纤维管支架，摄像头及其电路板和主机板上的OLED 显示屏组成，这类光电式传感器具有非接触、响应快、体积小，性能可靠等突出特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得普遍应用。新的光电器件持续涌现，尤其是CCD 图像传感器的出现，为光电类传感器的进一步应用开创了新的历史纪元[4]。其实际使用时摄像头采集到的路况会经过二值化处理后反馈在主机板（图3）的显示屏上，供使用者观察调试。

图3

在智能小车过有一定频率电流导线通过的特殊路段时需要用上新的模块，以实现其新的功能。红外线模块[4]是发送器对目标投射光线获取光信号再转化成电信号的一种感应方式，投射的光线普遍来源于半导体光源、吸光二极管还有红外投射二极管。光线持续地投射，或更替脉冲宽度。同时红外线传感器接收到的信息反馈过后，调试模块的核心板会根据程序设定发送电信号至伺服电机模块，伺服电机会打指定的角度改变车轮的朝向以规避前方感应到的障碍物。

作为多功能智能小车上的两个电机，伺服电机直接由导线连在主机板上，作用于智能小车的转向问题。而主驱动模块则是由步进电机、编码器和驱动电路板（驱动电路板原理图：图4）组成，调试模块录入程序，给驱动板信号来使编码器控制步进电机的转速。电源模块作为最简单的模块之一，同时也是多功能智能小车最主要的动力来源。图5 为系统电源管理示图，写出了电源模块中电源对各个模块的供电关系，简洁但又紧密相连。

模块化的设计在程序中也有体现，[4]主程序：主要负责落实初始化任务，设定智能小车的启动运转形式以及调用显示子程序等。初始化程序：主要完成各个单元清零以及设置定时器T1、外中断0、外中断1 等。外中断0：主要落实按照光电测量器测量到的小汽车的位置驱动小汽车的运行。其他各个模块都有其独立的程序，更改数值即可调试。（以舵机程序为例：图6）

图4

图5

图6

2 应用前景

目前在国内，互联网中小学生编程行业正处于市场启动阶段，有着较高的不确定性。标准混乱、模式粗放也是智能编程面临的困境。智能产品建立多功能的编程、组装、调节安装的教学，是摆在眼前迫在眉睫的问题。基于此，多功能智能小车可作为教学用具供师生使用，模块化的设计，简易的编程理念，不同程序的调试可适应不同的年龄段。

同时近些年国务院出台的《新一代人工智能发展规划》指出，“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广。”人工智能进学校上升为国家战略，给市场带来切实的政策利好。

多功能智能小车作为教具帮助中小学相关师生完成智能教学产品的认知和学习使用，实现学与教一体化，促使学生从传统的使用者身份转向使用者加设计者地位。通过编程和模块组建让学生掌握的不再只是课本的理论知识，拓宽其眼界，并使逻辑创新、想象思考能力得到一定程度的提高。打破传统教学的枷锁，激发学生的探索、创新热情。

作为教学用具，可同时编制一份产品说明书，让学生在产品说明书或是老师的指导下完成对产品模块化的拼装，可加入更多的外围模块来提升智能小车的功能性，同时提升学生的创造性，又可实现自我组装小车、更改程序、添加各种不同的感应模块。

3 结论

多功能智能小车由使用简洁方便的模块组装设计，并可以应用于教学用具行业，其政策扶持，市场需求量大，同行业同类型竞争对手极少，目标客户多，产品内容不死板，作为科技学习类智能教具等发展前景广阔。